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Obsoleszenz-Probleme lösen

SiC-Kaskoden ersetzen Si-MOSFETs

29. Mai 2018, 09:30 Uhr   |  Von Dr. Zhongda Li

SiC-Kaskoden ersetzen Si-MOSFETs
© andriano.cz – Shutterstock

Mit SiC- und GaN-Halbleitern lassen sich hochleistungsfähige Systeme realisieren – jedenfalls bei neuen Designs. Wenn aber kein vollständiges Redesign ansteht, kann der Ersatz bisheriger Si-Komponenten durch SiC-Kaskoden eine lohnende Alternative sein.

Wide-Band-Gap-Halbleiterbausteine (WBG) wie SiC- und GaN-Bauelemente versprechen eine höhere Leistungsdichte und einen höheren Wirkungsgrad bei der Leistungswandlung in Zukunftsanwendungen wie intelligentem Energie-Management und Elektrofahrzeugen.

Halbleiterhersteller warnen jedoch zu Recht, dass Systeme auf Basis von WBG-Halbleitern unter Berücksichtigung von HF-Techniken entwickelt werden müssen, um ihr volles Potenzial ausschöpfen zu können. Gründe hierfür sind ihre hohe Schaltfrequenz und die Möglichkeit steiler Signalflanken, durch die es zulässig ist, kleinere passive Bauelemente zu verwenden – unter anderem kleinere magnetische Komponenten, Kondensatoren und Kühlkörper.

Selbst wenn eine SiC-MOSFET- oder eine GaN-HEMT-Zelle bei niedriger Frequenz betrieben wird, um zumindest den Wirkungsgrad zu verbessern (ohne dabei weitere Aspekte zu verändern), sind die Anforderungen an die Gate-Steuerspannung sehr hoch. Bestehende Techniken und Schaltungen, die auf der Ansteuerung von Si-MOSFETs und IGBTs beruhen, eignen sich dafür nicht.

Werden Fehlerbedingungen mit in Betracht gezogen, erhalten noch andere Aspekte an Bedeutung: SiC- und GaN-Bausteine müssen gegen Kurzschluss geschützt werden, wobei ihre Nennspannung mit der Gate-Spannung variiert. Vor allem GaN weist keine Avalanche-Festigkeit gegen Lawinendurchbrüche auf, was ein ernstzunehmendes Problem bei typischen induktiven Lasten in Leistungselektronik-Anwendungen ist.

Alle diese Faktoren müssen berücksichtigt werden, wenn die höchstmögliche Leistungsfähigkeit benötigt wird und die Entwicklungszeit es zulässt. Eine Vielzahl von Systemen auf Basis von IGBTs und MOSFETs auf Silizium-Basis könnte durch ein Aufrüsten profitieren – sofern ein einfacher Austausch mit WBG-Halbleitern möglich ist.

Dies kann bei der Abkündigung von Bauteilen der Fall sein oder falls einfach nur ein paar Prozent mehr Wirkungsgrad aus dem System herausgeholt werden müssen. Wird die Betriebsfrequenz nicht geändert, können zwar keine kleineren magnetischen oder anderen passiven Komponenten verwendet werden – zumindest ist jedoch ein höherer Wirkungsgrad erzielbar.

Optimierung bestehender Designs

Die einfachste Möglichkeit, WBG-Halbleiter in bestehenden Anwendungen einzusetzen, sind JFETs. Bei JFETs besteht die Herausforderung darin, dass sie bei 0 V Gate-Spannung eingeschaltet (normally On) und bei negativer Spannung ausgeschaltet sind. Dies hat Vorteile bei Leistungsschaltern, ist jedoch bei der Leistungswandlung unerwünscht.

SiC-MOSFETs und e-GaN-FETs können als WBG-Halbleiter mit Normally-Off-Charakteristik (Enhancement Mode) konzipiert werden. Es treten aber Komplikationen auf, wenn ein Sperrstrom fließt, wie es in hart schaltenden Halbbrücken- oder Totem-Pole-PFC-Schaltungen der Fall ist. SiC-MOSFETs verfügen über eine Body-Diode, allerdings mit einer UF von ungefähr 4 V.

Die e-GaN-FETs besitzen keine Body-Diode, dafür erfolgt die Leitung des Sperrstroms durch den Kanal und zwar mit hohem Spannungsabfall. Die durch den hohen Abfall verursachte Verlustleistung kann eine parallele Diode, typischerweise eine SiC-Diode, erfordern. Dabei müssen natürlich die Auswirkungen auf Platz und Kosten bedacht werden.

Wie bereits erwähnt, benötigen SiC- und GaN-Halbleiterbauelemente auch spezifische Gate-Steuerspannungen, die in manchen Fällen nur sehr geringen Spielraum zu den Maximalwerten zulassen.

SiC-Kaskoden sind die Lösung

Eine Idee, bestehende IGBTs oder Si-MOSFETs zu ersetzen, basiert auf der Technik der Vakuumröhre aus den 1930er-Jahren. Es handelt sich um eine Kaskoden-Anordnung eines SiC-JFET und eines herkömmlichen Si-MOSFET (Bild 1). Wird an das Si-MOSFET-Gate eine positive Spannung angelegt, schaltet es sich ein.

Dadurch kommt es zum Kurzschluss von Gate und Quelle des SiC-JFET, wodurch er eingeschaltet wird. Liegen am Si-MOSFET-Gate 0 V an, ist es ausgeschaltet. Dadurch kann die Drain-Spannung ansteigen. Wenn die Drain-Spannung etwa +7 V erreicht, liegen am SiC-JFET-Gate 7 V weniger an als an seiner Source. Dann wird es ausgeschaltet.

Aufbau einer SiC-Kaskode
© United SiC

Bild 1. Aufbau einer SiC-Kaskode.

Das wichtigste Ziel war die Entwicklung eines Normally-Off-Bausteins. Daneben ergeben sich aber andere Vorteile:

  • Die Gate-Ansteuerung ist jetzt un¬kritisch – mit typischerweise ±25 V maximal.
  • Der MOSFET ist ein Niederspannungs-Baustein mit vernachlässigbarem Durchlasswiderstand im Vergleich zum SiC-JFET.
  • Die Body-Diode ist diejenige des Niederspannungs-MOSFETs mit schneller Erholzeit und niedriger UF.

Die Kombination dieser Eigenschaften führt zur Avalanche-Fähigkeit und sorgt für ausgezeichnete Kurzschlussstrom-Eigenschaften. Die größte Verlustleistung tritt im SiC-JFET-Die auf, sodass die maximal zulässige Gesamttemperatur durch die SiC-Nenntemperatur von 250 °C festgelegt wird.

Das Gehäuse beschränkt die zulässige Temperatur allerdings auf 175 bis 200 °C. Damit steht ein Baustein mit der Funktionalität eines Hochleistungs-Si-MOSFETs (drei Anschlüsse) und den Geschwindigkeits- und Temperatur-Nennwerten eines SiC-Bausteins zur Verfügung.

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1. SiC-Kaskoden ersetzen Si-MOSFETs
2. Praktischer Einsatz von SiC-Kaskoden

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